THIẾT KẾ MỘT TƯƠNG LAI BỀN VỮNG

MỤC LỤC

1. Tổng quan về Thử thách 2030
2. Luôn bắt đầu với các chiến lược thụ động
3. Phương án khối công trình
4. Thiết kế lớp vỏ công trình hiệu quả hơn
5. Rò rỉ không khí và thực hành thi công
6. Các chiến lược chủ động
7. Hệ thống điều khiển công trình tiên tiến
8. Thiết bị và hệ thống tiết kiệm năng lượng
9. Năng lượng tái tạo
10. Kết luận

PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ THỬ THÁCH 2030

Thử thách 2030 là một nỗ lực cấp quốc gia nhằm thúc đẩy cam kết toàn ngành trong việc ưu tiên các chiến lược hiệu quả năng lượng tối ưu cho công trình, đồng thời giảm thiểu tác động tiêu cực của công trình đến môi trường. Sáng kiến này đưa ra một khung tiêu chuẩn cho việc báo cáo, cho phép mọi công ty thiết kế công trình đều có thể cạnh tranh để đạt mục tiêu giảm tỷ lệ sử dụng năng lượng hằng năm (năm 2023, mục tiêu là giảm 80% so với mức cơ sở).

Bắt đầu từ năm 2006, Viện Kiến trúc sư Hoa Kỳ (AIA) đã chấp nhận Thử thách 2030 và khuyến khích các công ty cam kết giảm tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch, lượng khí nhà kính (GHG) và năng lượng trong các dự án của họ. Tiến đến năm 2030, tỷ lệ giảm mục tiêu sẽ tăng dần cho đến khi tất cả các công ty tham gia có đủ kinh nghiệm và kiến thức để đạt được xếp hạng Net-Zero (tổng phát thải ròng bằng 0) cho mọi dự án.

PHẦN 2: LUÔN BẮT ĐẦU VỚI CÁC CHIẾN LƯỢC THỤ ĐỘNG

Chiến lược thụ động (hoặc thiết kế thụ động) là các phương pháp thiết kế công trình tận dụng khí hậu địa phương và điều kiện hiện trạng để giữ cho không gian bên trong công trình luôn thoải mái về nhiệt mà không cần sử dụng năng lượng. Những yếu tố này khai thác các điều kiện tự nhiên sẵn có để làm mát, sưởi ấm, che nắng hoặc thông gió cho không gian — từ đó giúp giảm tải sưởi và làm mát.

Thiết kế theo chiến lược thụ động đòi hỏi phải hiểu rõ các yếu tố hạn chế và phản hồi bằng giải pháp thiết kế mà không cần đến hệ thống cơ điện chủ động. Một số ví dụ phổ biến bao gồm:

🔸 Hình khối và hướng công trình

🔸 Cách nhiệt hiệu suất cao

🔸 Hệ kính hiệu suất cao

🔸 Khối tích nhiệt (nhiệt khối)

🔸 Hệ che nắng

Thách thức lớn nhất của thiết kế thụ động là các giải pháp này cần được tích hợp ngay từ giai đoạn đầu của quy trình thiết kế thì mới hiệu quả. Những kiến trúc sư hiểu rõ ảnh hưởng của khí hậu lên công trình sẽ có khả năng tạo ra các tòa nhà tiết kiệm năng lượng và hiệu quả về chi phí cao hơn.

Viện Kiến trúc sư Hoa Kỳ (AIA) cung cấp một công cụ “2030 Palette” với danh sách các chiến lược thiết kế thụ động có thể áp dụng, kèm theo hướng dẫn về kiểu công trình và khí hậu phù hợp.

Các chiến lược thụ động có thể tích hợp vào giai đoạn thiết kế ban đầu (tùy vào khí hậu thiên về nóng hay lạnh) được tổng hợp trong các tài liệu chuyên sâu như:

🔸 4 Chiến lược Thụ động cho Hệ thống Tòa nhà Hiệu quả Năng lượng

🔸 Hướng dẫn toàn diện về Thiết kế công trình hiệu suất cao

Gồm 3 nhóm chính:

▪️ Hiệu quả năng lượng

▪️ Điện khí hóa

▪️ Năng lượng tái tạo

PHẦN 3: PHƯƠNG ÁN KHỐI CÔNG TRÌNH

Phương án khối công trình (Massing) — tức hình dạng và hướng của tòa nhà — nên luôn được xem xét đầu tiên trong thiết kế. Trừ trường hợp các công trình cải tạo mà hình khối hoặc vị trí hiện tại không thể thay đổi.

Xét về hiệu suất năng lượng, thiết kế khối công trình gọn là cấu hình hiệu quả nhất, đặc biệt khi diện tích kính dưới 40% tổng diện tích bề mặt bao che. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng giảm diện tích kính cũng đồng nghĩa với việc giảm ánh sáng tự nhiên, từ đó có thể làm tăng nhu cầu sử dụng chiếu sáng nhân tạo.

Trong nhiều trường hợp, phụ tải làm mát không phải do lớp vỏ công trình gây ra, mà đến từ phụ tải bên trong, chẳng hạn như:

▪️ Bệnh viện

▪️ Phòng thí nghiệm

▪️ Các công trình có mật độ người hoặc thiết bị cao

Nguyên nhân là do thiết bị và con người tỏa nhiệt nhiều hơn so với nhiệt truyền qua vỏ công trình. Tuy nhiên, lớp vỏ công trình vẫn có thể làm trầm trọng thêm phụ tải bên trong, gây ra những “đỉnh phụ tải” làm mát lớn — từ đó yêu cầu hệ thống cơ điện có công suất cao hơn.

Chiến lược khối công trình hiệu quả:

▪️ Ưu tiên chọn khối công trình dựa trên kiến trúc và quy hoạch đô thị. Sau đó, dựa trên phân tích hiệu suất để điều chỉnh cho phù hợp.

▪️ Ngay cả khi công trình chủ yếu bị chi phối bởi phụ tải bên trong, việc sử dụng lớp vỏ phù hợp với khí hậu vẫn rất quan trọng.

▪️ Sau khi xác định được khối công trình và lớp vỏ, cần phân tích thêm các yếu tố khác để đưa mức sử dụng năng lượng đến gần mức Net-Zero (Phát thải ròng bằng 0).

PHẦN 4: THIẾT KẾ LỚP VỎ CÔNG TRÌNH HIỆU QUẢ HƠN

Việc sử dụng vật liệu cách nhiệt hiệu quả cho mái, tường và kính sẽ giúp giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng (EUI) cho công trình — đặc biệt tại các vùng có biến động nhiệt độ theo mùa rõ rệt. Một lớp vỏ công trình tốt cũng giúp giảm đỉnh tải sưởi và làm mát, qua đó cho phép hệ thống cơ điện nhỏ hơn, tiết kiệm chi phí đầu tư.

Tuy nhiên, khi xem xét tổng thể, cần hiểu rằng tăng hiệu suất ở một thành phần (như lớp vỏ) có thể cho phép giảm yêu cầu ở các thành phần khác, giúp tối ưu hóa tổng thể công trình.

1. CHIẾN LƯỢC CHO TƯỜNG (WALL STRATEGIES)

R-value: là chỉ số đánh giá khả năng cách nhiệt của tường.

▪️ Thấp: R-5 đến R-13

▪️ Trung bình: R-14 đến R-18

▪️ Cao: R-19 đến R-40

Tùy thuộc vào quy mô, chức năng công trình và kết quả phân tích, giá trị R phù hợp sẽ được lựa chọn. R-value càng cao, khả năng cách nhiệt càng tốt.

Phân loại:

🔸 Emissivity (suất phát xạ) cũng ảnh hưởng đến lượng nhiệt truyền qua tường.

▪️ Là tỷ lệ bức xạ nhiệt của vật thể so với một vật thể đen lý tưởng (giá trị từ 0–1).

▪️ Bề mặt tường có emissivity thấp (ví dụ: tường trắng, phản xạ tốt) sẽ giảm hấp thụ nhiệt, phù hợp cho vùng nóng.

▪️ Tường tối màu có thể tăng hấp thụ nhiệt, phù hợp cho vùng lạnh.

🔸 Nhiệt dung (Thermal Mass)

▪️ Là khả năng vật liệu hấp thụ và lưu trữ nhiệt.

▪️ Vật liệu có nhiệt dung cao (như bê tông, gạch) giúp ổn định nhiệt độ bên trong, đặc biệt khi nhiệt độ ngoài trời thay đổi mạnh trong ngày.

▪️ Ngược lại, vật liệu như gỗ hoặc kim loại mỏng hấp thụ và nhả nhiệt nhanh, không thích hợp làm lớp vỏ chính ở vùng có biến thiên nhiệt độ cao.

2. CHIẾN LƯỢC CHO MÁI (ROOF STRATEGIES)

Tương tự như tường, R-value của mái đo lường khả năng cách nhiệt của vật liệu mái.

▪️ Mái là bề mặt cách nhiệt phía trên cùng của không gian điều hòa nhiệt độ, có nhiệm vụ chống bức xạ mặt trời, hấp thụ nhiệt và mưa gió.

▪️ Là một phần của lớp vỏ nhiệt, mái ảnh hưởng đáng kể đến quá trình truyền nhiệt vào và ra khỏi tòa nhà.

Phân loại R-value cho mái:

▪️ Thấp: R-9 đến R-18

▪️ Trung bình: R-19 đến R-25

▪️ Cao: R-26 đến R-50

Các yếu tố bổ sung:

▪️ Lớp phủ phản xạ (reflective coatings): giúp giảm nhiệt lượng hấp thụ, từ đó giảm tải làm mát.

▪️ Mái xanh (green roofs): hỗ trợ cách nhiệt, giảm hiệu ứng đảo nhiệt đô thị, làm mát qua quá trình bốc hơi - thoát hơi nước (evapotranspiration).

3. CHIẾN LƯỢC CHO KÍNH (GLAZING STRATEGIES)

Kính là các bề mặt trong lớp vỏ công trình có khả năng truyền sáng, như cửa sổ hay mặt dựng kính. Đây là yếu tố quan trọng để:

▪️ Cung cấp ánh sáng tự nhiên

▪️ Thu nhiệt mặt trời

▪️Tạo tầm nhìn cho người sử dụng

Các loại kính thường dùng:

▪️ Kính trong suốt, kính màu

▪️ Kính cường lực, kính dán an toàn

▪️ Kính phủ lớp đặc biệt (Low-E, phản quang,…)

▪️ Có thể lắp đơn, đôi hoặc ba lớp (single/double/triple glazing)

Các chỉ số hiệu suất của kính:

1. U-value (hệ số truyền nhiệt):

▪️ Càng thấp → khả năng cách nhiệt càng cao → giảm tải sưởi/làm mát

2. SHGC (hệ số thu nhiệt mặt trời):

▪️ Giá trị từ 0 đến 1

▪️ SHGC càng cao → nhiệt mặt trời đi vào trong càng nhiều → tăng tải làm mát

▪️ Với khí hậu nóng (ASHRAE zones 1–4), nên chọn kính có SHGC < 0.4

3. VT – Visible Transmittance (Độ truyền sáng khả kiến):

▪️ Là lượng ánh sáng trong phổ nhìn thấy được đi qua kính

▪️ Giá trị từ 0 đến 1 (hoặc 0% đến 100%)

▪️ Kính không màu có thể đạt VT ~90%

▪️ Kính có màu/phủ lớp phủ thường có VT từ 35–80%

▪️ Nên điều chỉnh VT phù hợp với hướng cửa sổ để tránh chói và quá nhiệt, ví dụ cửa sổ hướng nam ở vùng nóng.

4. Thiết bị che nắng (Blinds, rèm, màn):

▪️ Được đo bằng hệ số che nắng (SDF - Shading Device Factor)

Ví dụ: rèm có SDF = 0.35 → chặn 65% ánh sáng

▪️ Rèm ngoài trời màu sáng hoặc dạng lưới giúp kiểm soát ánh sáng tốt hơn.

PHẦN 5: RÒ RỈ KHÔNG KHÍ VÀ THỰC HÀNH THI CÔNG

1. RÒ RỈ KHÔNG KHÍ (INFILTRATION)

Rò rỉ không khí là hiện tượng không khí bên ngoài xâm nhập vào công trình qua các khe hở không mong muốn, như các vết nứt, khe cửa hoặc cửa sổ không kín. Hiện tượng này ảnh hưởng đến:

▪️ Chất lượng không khí trong nhà (IAQ)

▪️ Mức tiêu thụ năng lượng, do hệ thống cơ điện phải điều hòa không khí không mong muốn

Tiêu chuẩn kiểm soát rò rỉ:

▪️ Các tiêu chuẩn toàn cầu như Passive House yêu cầu mức rò rỉ ≤ 0.6 ACH @ 50 Pa

▪️ (ACH: số lần trao đổi không khí mỗi giờ tại áp suất thử nghiệm 50 pascal)

Các yếu tố ảnh hưởng đến rò rỉ:

▪️ Độ kín khí của lớp vỏ công trình

▪️ Tốc độ và hướng gió

▪️ Hiệu ứng ống khói (stack effect)

▪️ Chênh lệch áp suất trong/ngoài công trình

Việc kiểm soát rò rỉ đòi hỏi sự phối hợp từ giai đoạn thiết kế đến thi công và nghiệm thu.

2. HIỆU ỨNG ỐNG KHÓI (STACK EFFECT) VÀ TÁC ĐỘNG ĐẾN RÒ RỈ

Hiệu ứng ống khói là hiện tượng không khí chuyển động theo phương đứng trong công trình do chênh lệch nhiệt độ giữa trong và ngoài.

▪️ Trong các tòa nhà cao tầng, hiệu ứng này có thể tạo ra các vùng áp suất âm, hút không khí không điều hòa từ bên ngoài vào → gây rò rỉ nghiêm trọng

▪️ Điều này dẫn đến tải sưởi/làm mát tăng lên đáng kể, ảnh hưởng đến hiệu suất toàn công trình

Chiến lược kiểm soát rò rỉ không khí:

▪️ Tuân thủ các tiêu chuẩn kín khí nghiêm ngặt như Passive House

▪️ Kiểm tra kín khí sơ bộ (blower door test) để phát hiện và xử lý các điểm rò

▪️ Thi công lớp chắn khí (air barrier) hiệu quả và liên tục

▪️ Sử dụng buồng đệm (air locks) tại các cửa chính và lối ra vào nếu cần thiết

PHẦN 6: CÁC CHIẾN LƯỢC CHỦ ĐỘNG

Chiến lược chủ động là các phương pháp thiết kế sử dụng hệ thống cơ điện hoặc nhiên liệu để làm nóng, làm mát hoặc thông gió cho không gian. Ví dụ bao gồm:

▪️ Hệ thống chiếu sáng điện

▪️ Cảm biến điều khiển

▪️ Hệ thống điều hòa không khí (HVAC)

Mặc dù các chiến lược thụ động nên được ưu tiên trước để tối ưu hóa sự thoải mái và giảm thiểu sử dụng năng lượng, chiến lược chủ động được sử dụng để đáp ứng các yêu cầu còn lại của công trình khi các biện pháp thụ động không đủ.

CÔNG NGHỆ - CHÌA KHÓA ĐẾN NET-ZERO

Công nghệ là một phần không thể thiếu trong lộ trình tiến đến mục tiêu Net Zero. Từ điện khí hóa đến hệ thống làm sạch không khí, việc tích hợp công nghệ vào môi trường xây dựng đã mở ra nhiều cơ hội để tăng hiệu quả năng lượng.

Hiện nay đã có nhiều công nghệ tiên tiến sẵn có, nhưng chỉ hiệu quả khi được tích hợp từ giai đoạn thiết kế ban đầu nhằm đảm bảo mục tiêu Net Zero được duy trì xuyên suốt vòng đời công trình.

PHẦN 7: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÔNG TRÌNH TIÊN TIẾN

Hệ thống điều khiển công trình tiên tiến là các hệ thống và công nghệ được sử dụng để quản lý, giám sát và tối ưu hiệu suất của các thiết bị và hệ thống trong tòa nhà.

1. ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG

▪️ Chiếu sáng chiếm hơn 19% tổng mức tiêu thụ điện năng toàn cầu. Việc sử dụng công nghệ chiếu sáng hiệu suất cao và hệ thống điều khiển thông minh như:

▪️ Công tắc điều chỉnh độ sáng (dimmers)

▪️ Cảm biến chuyển động (occupancy sensors)

▪️ Cảm biến ánh sáng tự nhiên (daylight sensors)

▪️ Hẹn giờ (timers)

… sẽ giúp tiết kiệm đáng kể chi phí và năng lượng.

🔸 Cảm biến hiện diện (Occupancy sensors)

▪️ Là thiết bị phát hiện chuyển động để tự động bật/tắt đèn, điều hòa hoặc thông gió dựa trên sự hiện diện của con người.

🔸 Cảm biến ánh sáng (Daylight sensors)

▪️ Là thiết bị đo lượng ánh sáng tự nhiên trong không gian và gửi tín hiệu đến hệ thống điều khiển → tự động giảm hoặc tắt đèn điện khi đủ sáng tự nhiên.

▪️ Quy trình này được gọi là Daylight Harvesting (khai thác ánh sáng tự nhiên) → giúp tiết kiệm 20–60% năng lượng chiếu sáng.

➡ Các cảm biến này rất cần thiết cho thiết kế Net-Zero. Nếu bạn chưa chắc chúng sẽ có trong thiết kế cuối cùng, nên chạy mô phỏng để đánh giá lợi ích tiết kiệm năng lượng và thời gian hoàn vốn khi lắp đặt một phần hoặc toàn bộ cảm biến.

2. HỆ THỐNG QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TÒA NHÀ (BEMS)

Hệ thống tự động hóa tòa nhà (BAS) hoặc hệ thống quản lý năng lượng (BEMS) có nhiệm vụ:

▪️ Thu thập dữ liệu từ các thiết bị trong tòa nhà qua cảm biến, đồng hồ đo, bộ điều khiển và cơ cấu chấp hành

▪️ Phân tích dữ liệu, phát hiện sự cố, gửi cảnh báo cho quản lý vận hành

▪️ Giúp kiểm soát và ra quyết định để vận hành công trình một cách hiệu quả và tiết kiệm năng lượng

🔸 Lợi ích:

▪️ Hệ thống BEMS đơn giản → điều chỉnh vận hành theo nhu cầu người dùng

▪️ Hệ thống BEMS tiên tiến → tối ưu và tinh chỉnh hoạt động của các bộ điều khiển, quản lý cảnh báo, giám sát hiệu suất

▪️ Có thể giảm 10–30% mức tiêu thụ năng lượng toàn công trình

PHẦN 8: THIẾT BỊ VÀ HỆ THỐNG TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG

1. THIẾT BỊ (EQUIPMENT)

Năng lượng tiêu thụ bởi các thiết bị sử dụng trong sinh hoạt và vận hành hằng ngày được gọi là thiết bị tiêu thụ điện (plug loads) hay còn gọi là tải phụ trợ/miscellaneous loads. Bao gồm: Máy tính, Máy pha cà phê, Tủ lạnh, TV, Các thiết bị điện tử khác do người dùng vận hành.

Ngoài việc ảnh hưởng trực tiếp đến tổng tiêu thụ điện, nhiệt tỏa ra từ các thiết bị này cũng làm tăng tải làm mát, ảnh hưởng đến lượng năng lượng sử dụng hằng năm.

🔸 Lợi thế của thiết bị:

▪️ Tuổi thọ ngắn hơn so với lớp vỏ công trình → thường xuyên được thay mới (5–10 năm)

▪️ Đây là cơ hội tốt để liên tục cải thiện hiệu suất năng lượng của công trình

➡ Hãy chọn thiết bị hiệu suất cao — ưu tiên chứng nhận ENERGY STAR hoặc tương đương.

Mỗi loại công trình có mật độ tải thiết bị riêng (Equipment Power Density) tùy theo chức năng. Bạn có thể tham khảo các hướng dẫn lựa chọn thiết bị tiết kiệm năng lượng để bắt đầu.

2. HỆ THỐNG SƯỞI, THÔNG GIÓ, ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ (HVAC)

Theo Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (US DOE):

▪️ HVAC chiếm 90% tiêu thụ năng lượng trong nhà ở

▪️ Và 60% trong công trình thương mại

➡ Việc chọn đúng hệ thống HVAC cho thiết kế ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả công trình, hóa đơn điện, và sự thoải mái của người dùng.

🔸 Các yếu tố cần xem xét:

▪️ Nhu cầu sưởi/làm mát của công trình

▪️ Hiệu suất và tác động môi trường của hệ thống

▪️ Hình khối và bố cục không gian công trình

▪️ Thách thức về lắp đặt, vận hành

Thông thường, việc lựa chọn hệ HVAC là trách nhiệm của kỹ sư cơ điện (MEP), nhưng bạn có thể tham khảo các tài liệu như “Hướng dẫn lựa chọn hệ thống HVAC thương mại” để hiểu và phối hợp hiệu quả.

PHẦN 9: NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

Cung cấp năng lượng từ các nguồn tái tạo là công cụ cuối cùng để đạt mục tiêu Net-Zero (phát thải ròng bằng 0). Điều này được thực hiện thông qua các công nghệ sản xuất điện tại chỗ, ví dụ như:

▪️ Tấm quang điện (PV – Photovoltaic)

▪️ Tuabin gió

▪️ Các nguồn khác: năng lượng sinh khối (bioenergy), địa nhiệt (geothermal), hydro, thủy điện (hydropower)

🔸 Lợi ích của năng lượng tái tạo

▪️ Giảm phụ thuộc vào lưới điện truyền thống, từ đó tiết kiệm chi phí năng lượng.

▪️ Giảm phát thải khí nhà kính, vì các nguồn tái tạo gần như không sinh ra khí thải CO₂.

▪️ Góp phần thay thế các nguồn năng lượng phát thải cao như than đá hoặc dầu mỏ.

HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI (PHOTOVOLTAICS – PV)

PV (tấm năng lượng mặt trời) là một trong những phương pháp sản xuất năng lượng tái tạo đáng tin cậy và phổ biến nhất hiện nay. Với các tấm pin chứa tế bào quang điện, chúng:

▪️ Hấp thụ ánh sáng mặt trời

▪️ Chuyển đổi thành điện năng sạch, có thể sử dụng ngay

🔸 Triển khai PV trong dự án:

▪️ Bước đầu tiên là xác định kích thước hệ thống và tỷ lệ năng lượng nó sẽ cung cấp cho công trình

▪️ Vị trí lắp đặt:

- Trên mái (miễn là không bị che khuất bởi thiết bị cơ điện)

- Trên mái che bãi đậu xe

- Trên khung độc lập

🔸 Lưu ý quan trọng:

▪️ Luôn tối ưu hóa mức tiêu thụ năng lượng trước khi lắp đặt hệ thống tái tạo.

▪️ Vì chi phí đầu tư ban đầu của hệ thống PV khá cao, nên việc giảm nhu cầu tiêu thụ trước giúp giảm quy mô hệ thống cần thiết, từ đó tối ưu hóa chi phí và tính khả thi của dự án.

PHẦN 10: KẾT LUẬN VÀ SUY NGHĨ CUỐI CÙNG

BƯỚC ĐẦU TIÊN ĐỂ ĐẠT ĐƯỢC MỤC TIÊU 2030:

🔸 ĐẶT RA MỤC TIÊU RÕ RÀNG

Việc đầu tiên và quan trọng nhất để đạt được Thử thách 2030 là xác định rõ các mục tiêu bạn cam kết theo đuổi. Hãy lên kế hoạch cùng các thành viên chủ chốt trong đội ngũ thiết kế, từ đó xây dựng:

▪️ Danh sách các đầu việc cụ thể cần thực hiện

▪️ Lộ trình thời gian phù hợp và có thể tuân thủ

🔸 CHIẾN LƯỢC HỢP LÝ

▪️ Ưu tiên các giải pháp thụ động để giảm tối đa tải sưởi và làm máy.

▪️ Sau đó, tích hợp các giải pháp chủ động và cuối cùng là năng lượng tái tạo.

▪️ Luôn kiểm tra bằng mô phỏng để đảm bảo giải pháp đề xuất thực sự hiệu quả. Nếu kết quả bất thường, có thể là do giả định đầu vào sai hoặc chưa đầy đủ.